为什么要加腔?


我们做量子光学的有一个嗜好,那就是喜欢在一个物理系统上面加一个谐振腔。自然的问题来了,为什么要加腔,有什么好处?

我们知道,某个原 子自发幅射时,有可能向无穷个模式幅射光子。如果原子外面没有加谐振腔,那么原子与这无穷个模式的耦合是完全相同的,我们无法知道原子到底会幅射到哪个模 式上去。可是加上腔之后,情况就发生了变化。由于腔的存在,原子外部场的模式密度发生了变化。比如说,腔与原子共振时,原子与腔共振的那个模式的密度会增 大许 多。这样原子与这个模式耦合的强度就增大了。换句话说,原子自发幅射时落到这个模式上几率就增大了。在目前的实验条件下,原子与腔的耦合强度有可能达到原 子自发幅射率的一百倍。于是我们可以很清楚的观察到原子幅射光子到腔模上,然后又与腔模作用吸收光子,这个过程被称为拉比振荡。同时还会有另外一种情况出 现:如果腔模频率与原子跃迁频率相差很大,有可能会降低原子的自发幅射率,增加原子激发态能级的寿命。Kleppner组在1985年最早在实验观察到了这 个现象,当时他们把原子的寿命增大了20倍。要实现这个,需要制备微米级的微腔。腔量子电动力学由此也就蓬勃发展起来了。而如今为了实现量子计算与量子通 讯,制备好的微腔,实现原子与腔场的强耦合是一个很关键的技术。不仅如此,我们还需要把腔联结起来,形成网络让量子比特在这网络中流动。

加 上了腔,我们就可以控制原子与光场的量子态,可以大大减小退相干,可以通过实验检验量子力学的基本理论,并有可能制成量子计算机。自从激光器发明以后,对 谐振腔与原子相互作用的研究一直没有停止过。原子与光子通过腔联系到了一起。目前做量子信息的人很关心的一个问题就是如何在原子与光子之间进行量子态的转 化,既要效率高,又要保持量子态不失真。于是我们又要考虑光子如何进入腔,或者原子幅射光子,光子又从腔中跑出来等等这些问题。关于谐振腔,里面的问题真 是深不见底。

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One Comment

  1. 你好,我是在google上无意找到你的blog的,看了以后很有启发
    我也是硕士在读,光学专业,研究半导体量子点置于球形半导体微腔中的光学非线性,腔的作用在我的课题里作用很大,可是还是有些机制不太清楚,可以和你交流一下吗?
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